基于ZigBee 的可穿戴多元數據采集節點設計

趙 陳，宋泊明*

（徐州醫科大學 醫學信息與工程學院，江蘇 徐州）

引言

肢體功能障礙在我國發病率高[1]，康復周期長，因此需要居家康復。準確評估肢體功能對康復過程影響極大，而傳統的量表評估方式依賴醫生主觀評價，且難以居家開展。因此，本文提出一種基于ZigBee 的可穿戴多元數據采集節點，可以采集患者運動過程中的三軸加速度與肌電信號并通過無線傳輸技術將數據傳輸到上位機進行數據分析，從而構成一種簡單、有效的肢體功能障礙評估手段。

Zigbee 協議[2]是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，具有成本低、能量消耗小和傳輸速率低等優勢?；赯igBee 技術，本文采用無線傳感網絡芯片CC2530 作為多元數據采集節點設計的主控芯片，結合ADXL345 加速度傳感器、肌電傳感器，完成了可穿戴多元數據采集節點的設計。以ZigBee 為基礎的可穿戴傳感器設計[3]，不僅可以將醫療監控設備小型化、便攜化，還可以將其應用到低成本、多功能、易于擴展等方面[4]。

1 硬件設計

本文采用CC2530 和ADXL345 芯片、肌電傳感器[5]實現三軸加速度及肌電信號的采集和數值轉換，為人體姿態識別奠定基礎。首先，通過ADXL345 加速度傳感器采集手臂運動時的三軸加速度，然后通過IIC 接口將信號傳輸給單片機進行處理和發送。為了保證ADXL345 芯片的正常工作，將電源和地信號連接到單片機的相應引腳，并將INT1、INT2 分別與單片機的INT0、INT1 相連，以便及時觸發中斷并通知單片機進行處理。同時，將ADXL345 芯片的SDA(數據線)、SCL(時鐘線)分別與單片機的某一腳相連，以便傳輸采集到的三軸加速度和肌電信號數據。此外，還使用了肌電傳感器來采集肌電模擬信號，并將該信號通過模擬電路與單片機連接。肌電傳感器通過檢測人體的表面肌電信號(SEMG)，將微弱的人體表面肌電信號進行放大和濾波，輸出模擬量形式的信號，以AVDD5 為基準電壓，方便做肌電信號的分析與研究。而單片機則可以通過接口電路將肌電傳感器的輸出信號接收并處理。

采集到的數據是模擬信號，通過CC2530 單片機內置ADC 模數轉換將模擬信號轉換成數字信號。本文以AVDD5 為基準電壓，以確保模數轉換器的取樣精度。將肌電模擬信號輸入到CC2530 的P0.1 端，然后進入內置的ADC 輸入端，將數字化的數據由CC2530 的無線射頻模塊發送至上位機。

2 數據傳輸

2.1 主控芯片CC2530

本系統采用TI 公司新一代的ZigBee 單片機CC2530[6]作為主要信號處理與無線傳輸設備，具有低功耗、小尺寸和低數據傳輸量的特點。

2.2 CC2530 與ADXL345 傳感器連接

設計中主控芯片CC2530 與ADXL345 加速度傳感器[7]通過IIC 接口進行通信。其數據線SDA 和串行時鐘線SCL 分別與CC2530 的P0.1 和P0.0 引腳相連。如圖1 是ADXL345 加速度傳感器IIC 通訊方式的連接電路。當ADXL345 處于IIC 模式通信時，CS 引腳需要拉高至V_(DD I/O)，使用簡單的2 線式連接。同時，ALT ADDRESS 引腳若處于高電平，與任一V_(DD I/O)引腳連接，則IIC 地址為0x1D。若ALT ADDRESS引腳接地，則IIC 地址為0x53。

圖1 ADXL345 傳感器IIC 方式連接電路

2.3 CC2530 與AD8221 傳感器連接

為了減輕匯聚節點與上位機的數據處理壓力，數據采集后在本地進行數據處理，包括數據轉換和無線傳輸等。數據轉換階段，將采集到的數據進行轉換，加速度換算公式：

無線傳輸階段，將轉換后的數據通過無線的方式發送給上位機。兩個CC2530 芯片之間通過ZigBee 模塊進行無線傳輸。系統硬件結構如圖2 所示。發送的數據包括三軸加速度與肌電信號數據。

數據幀結構見表1。

3 測試與結果

本課題實驗，測試者將傳感器佩戴在手臂上進行三個動作的測試，一個是手臂前屈90°，一個是手臂前屈180°，一個是手臂外展90°。將肌電傳感器、ADXL345 傳感器以及一個CC2530 芯片均綁在手臂上，通過ZigBee 協議與另外一個CC2530 進行通信，再將其通過USB 方式與電腦相連接，進行三軸加速度與肌電信號的采集。

采集肌電信號則是通過將電極放置在目標肌肉上，通過肌電放大器和數據采集卡采集信號。如果有多塊肌肉共同作用，則選取其中最主要的肌肉進行采集。由于傳感器數量有限，往往需要分開采集。手臂前屈時起主要作用的肌肉是肱二頭肌和喙肱肌。手臂外展時起主要作用的是三角肌前部纖維和崗上肌。見圖3。

圖3 手臂運動肌肉群圖

打開串口準備接收數據，打開CC2530 芯片上的USB/BAT 開關將軟件與傳感器串口完成連接。本實驗波特率設置為32 800 HZ，數據位為8。串口連接完成后，點擊打開串口，接收數據。測試者由自然垂直的手臂，依次進行三項手臂上抬的動作測試，均先加速后減速。動作結束后，將串口接收的數據換算保存后進行分析。

由圖4 至圖6 中三個動作呈現出的加速度值變化曲線發現，隨著手臂動作先加速后減速，三軸加速度值變化符合認知規律。圖4 至圖6 中顯示了肌電信號值在手臂運動過程中的變化曲線。手臂自然垂直時，肌電信號值約為1.500 mV。由圖中三個動作呈現出肌電信號曲線變化圖發現，隨著手臂動作先加速后減速，肌電信號值在相應情況下也呈現了先增大后減小的趨勢。

圖4 手臂前屈90°三軸加速度值及肌電信號變化曲線

圖5 手臂前屈180°三軸加速度值及肌電信號變化曲線

圖6 手臂外展90°三軸加速度值及肌電信號變化曲線

結束語

本文論述了采用無線傳感網絡芯片CC2530 作為多元數據采集節點設計的主控芯片，通過IIC 通信方式與ADXL345 加速度傳感器相連，同時結合肌電傳感器及ZigBee 技術，完成了可穿戴多元數據采集節點的設計。實驗測試證明，該傳感器傳輸可靠性好，系統可擴展性較強，對保障人民群眾的身體健康、便利患者的日常生活、提升醫務人員的工作效率和醫院的現代化信息化管理水平都有著重要的意義。